变频器对电机端电压和轴承电流影响的研究

变频器对电机端电压和轴承电流影响的研究

0du/dt滤波器电力电子技术的发展提高了供电装置的开关频率，缩短了装置电压的上升时间。输出功率大于200gw的igb的开关频率可达到2.20hz，这改善了vm变流器的性能。然而,器件电压上升时间的缩短给电机的绝缘带来了不良的影响,当电压的变化率达到6000V/μs时,易引起电机绕组绝缘过早损坏。特别是在一些工业应用领域,PWM变流器与驱动电机可能处于不同的位置,需要用较长电缆连接,而长电缆的传输有可能导致PWM脉冲在电机端产生过电压,更加重了电机绕组绝缘的负担。du/dt滤波器放置在变频器输出端,能有效地延长变频器输出端PWM脉冲的上升时间,降低电压的变化率,对保护电机的绝缘有较好的作用。国外一些文献提出了几种du/dt滤波器的电路结构:文献提出了一种LC滤波器的设计方法,其优点是电路结构简单,参数设计容易,但要求增大开关频率,加重了器件的负担,对于大功率的变流器系统并不适用;文献提出了一种LRC滤波器的设计方法,要求该滤波器的阻抗与电缆的特性阻抗相匹配,对参数匹配的要求较高,而电缆的各项特性参数并不容易测量,实施起来难度较大;文献提出了一种基于二极管箝位的du/dt滤波器的结构,其优点是滤波效果好,输出电压的斜率可以通过改变LC参数随意调节而不用担心输出的超调,缺点是电路结构复杂,不容易实现工程化。本文在分析du/dt对电机端电压影响的基础上,研究了一种LRC滤波器的设计方法,并且进行了仿真和试验验证,证明此滤波器有较好的效果,并且由于其电路结构简单,较易实现工程化。1电机端产生0.5倍接头PWM脉冲在电缆中是以波的形式传输的,在理想的状态下,波通过4次反射完成一个循环。根据波的传播特性以及电压反射理论分析,可以大体确定由反射产生的电机端过电压的峰值。PWM脉冲从变频器输出到电机端的传输时间tt为:式中:v——波在电缆中的传输速度,——电缆单位长度电感值,Cc——电缆单位长度电容值);lc——电缆长度。PWM脉冲从变频器端发出,经过传输时间tt后,到达电机端,在电机端产生反射,所形成的反射波重新回到变频器端,反射波幅值Vt为:式中:ΓL——负载端的反射系数;tr——PWM脉冲上升时间;Vdc——直流母线电压。反射波经电缆到达变频器输出端,而变频器端的反射系数Γs通常接近-1(变频器通常认为是低阻抗的电源)。因此,此时从变频器端产生的反射波幅值反向,经过3次传输之后,逐渐增加的电机端过电压被变频器端产生的反射波逐渐衰减,此时决定了电机端过电压所能达到的最大峰值。根据传输线理论和电压的反射原理,经过3次反射之后,PWM脉冲在电机端产生的反射电压的峰值Vpeak为:例如电缆参数取:单位电容Cc=0.0328nF/m,单位电感Lc=1.18μH/m,单位电阻Rc=18mΩ/m,可计算出脉冲在电缆中的传播速度电缆长度为50m,则电缆的传输时间tt为0.31μs。若反射系数ΓL为0.8(大功率电机反射系数为0.8左右),PWM脉冲上升时间为0.2μs,由式(3)计算可得,在电机端上将产生0.8倍直流母线电压的过电压;如果将输出电压的上升时间延长到1.5μs,计算可得,在电机端能产生0.5倍过电压。由此得出结论:PWM脉冲上升时间的长短直接影响在电机端产生的过电压的大小。2电机的模拟系统电机在PWM脉冲的高频分量作用下会呈现与工频时不同的特性,因此电机在工频下的等效电路不适用于对电机端过电压的研究,那么必须研究一种通用的电机模型,这种模型应适用于高频和低频分量。文献提出了一种电机模型(图1),它能有效地反映高频分量对电机的影响。690V/600kW等级电机的各项参数取值如图2所示。PSpice仿真软件中带有长电缆的模型(图3),可方便地调用仿真。在PSpice中建立长电缆和电机的高频模型,仿真参数如下:若电缆参数取第1节中所提参数,那么电缆的特性阻抗电缆长度为40m;传输时间为0.26μs。电机取690V/600kW等级电机参数,变流器直流母线电压为920V,在不加任何滤波器的情况下,仿真结果如图4所示。由图4可以得知,PWM脉冲通过长电缆传输之后,在电机端产生的过电压峰值为1.35kV左右,过电压为430V,du/dt为2076V/μs。3频率滤波仿真目前,在工业变流领域中,du/dt滤波器已经成为变频器非常重要的一部分,国外一些公司实现了du/dt滤波器的模块化(如ABB和西门子公司),下面介绍一种LRC滤波电路及其参数的设计方法。LRCdu/dt滤波器电路结构如图5所示。对于输出三相中的任何一相而言,RLC滤波器频域中的传递函数为:滤波器的转折频率,滤波器能有效地衰减ωc以上的频率分量。根据傅里叶级数分析可知,PWM脉冲所包含的最高频分量取决于PWM脉冲的边沿上升斜率,并且最高频分量的频率合理地选取滤波参数,滤除一部分PWM脉冲的高频分量,能有效地延长PWM脉冲的上升时间,降低du/dt。当电阻R取值不同时,滤波器的阻尼也不相同:R取值越大,阻尼越大,超调量越小,但对转折频率以上高频分量的滤除效果越差;R取值越小,阻尼越小,超调量越大,但对转折频率以上的高频分量的滤波效果越明显。若电感、电容参数不变,当R分别为2Ω、11Ω、100Ω时,在PSpice中仿真波形如图7所示。由图7可以得出结论:R=11Ω时,在电机端产生的过电压最低,du/dt最小,效果最好。电阻取值过小,滤波器本身输出的电压超调量增大,导致电机端过电压增大,从而达不到预期的目的;电阻取值过大,滤波器对转折频率以上的高频分量的滤波效果不理想,并不能有效地延长电压的上升时间,从而还是导致电机端产生较大的电压尖峰。电阻的选取,需要权衡滤波器的超调量和对高频分量的滤除效果,由仿真结果可以得知,阻尼系数取最佳阻尼系数0.707时,对电机端过电压的抑制效果最优。4电机模型的建立电机端电压过大的du/dt还有可能导致电机轴承的润滑油膜被击穿,在轴承上产生高频电流,导致电机的轴承被电腐蚀。为了研究电机端电压的du/dt对轴承电流的影响,首先建立轴承电流的模型,文献提出了一种可以计算电机轴承电流的电机模型。电机定子和转子各等效电容模型如图8所示。建立轴承电流等效集中参数模型(图9)。在PSpice中建立仿真模型,690V/600kW电机的各项参数取值为:Csr=10nF;Csf=80nF;Crf=40nF;Cb=10nF;Rb=2.5MΩ;Zg=0.01Ω。在变频器输出端没有任何滤波器的情况下,仿真波形如图10所示。由图10可知,未加任何滤波器的情况下,PWM脉冲高频分量在电机轴承上产生的高频电流(EDM电流)峰值为7.5A。变频器输出端加LRC滤波器,参数为:L=5μH,R=11Ω,C=81nF,仿真波形如图11所示。由图11可以得知,加du/dt滤波器之后,轴承电流明显减小,其峰值在1A左右。5直流母线电压在试验室中搭建试验平台,试验条件:电机为690V/600kW电机;电缆长度30m;直流母线电压为920V;滤波器参数为L=5μH,C=80nF,R=10Ω。变频器输出端未带滤波器与带滤波器的电机端线电压波形分别如图12和图13所示。对比图12和图13可以得出结论:输出端加LRC滤波器的变频器对抑制电机端过电压有良好的效果。6滤波器的阻尼系数本文阐述了长电缆导致电机端产生过电压的原因和PWM脉冲导致产生轴承电流的原因,给出了一种LRC滤波器的设计方法。仿真的结论和试验结果均证实了滤波器参数设计方法的正确性,滤波器能有效地抑制电机端的过电压和轴承电流。变频器PWM脉冲的上升时间以及电缆的长度直接决定了电机端过电压的大小,滤波器传递函数的阻尼系数直接影响滤波器的滤波效果,在设计滤波器时必须综合考虑各项因素。若变频器输出的PWM脉冲电压上升时间为0.2μs(由开关器件上升时间决定),可得其最高频分量的频率如果系统要求将du/dt降为原来的1/10,即将上升时间延长10倍,达到2μs,则PWM脉冲中所包含的最高频分量为,换算成角频率ω1=2πf=1.57×106rad/s。将滤波器的转折频率设定为ωc=ω1